Номер 2, страница 183, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Олимпиадные задачи. Глава III. Электрические явления. Параграф 15. Электрическое поле - номер 2, страница 183.

Условие.

2. Между двумя разноимённо заряженными палочками помещают незаряженную металлическую сферу. Изменится ли сила, действующая со стороны результирующего электрического поля, на каждую палочку? Если изменится, то как: увеличится или уменьшится? Обоснуйте свой ответ и проиллюстрируйте его рисунками с перераспределением зарядов в сфере при проведении опыта.

Решение.

Да, сила, действующая со стороны результирующего электрического поля на каждую палочку, изменится. Она увеличится.

Обоснование

1. Исходное состояние (без сферы). Две разноименно заряженные палочки (назовем их положительной и отрицательной) притягиваются друг к другу. Сила притяжения возникает из-за того, что каждая палочка находится в электрическом поле другой палочки. Обозначим эту силу $F_0$.

Иллюстрация 1:

Положительная палочка (+) <----- $F_0$ -----> Отрицательная палочка (-)

2. Внесение сферы. Когда между палочками помещают незаряженную металлическую сферу, она оказывается во внешнем электрическом поле, созданном палочками. Так как сфера металлическая (проводник), в ней есть свободные электроны, которые могут перемещаться по всему ее объему.

3. Электростатическая индукция. Под действием внешнего электрического поля, направленного от положительной палочки к отрицательной, свободные электроны в сфере смещаются. Они притягиваются к положительной палочке и отталкиваются от отрицательной. В результате на стороне сферы, обращенной к положительной палочке, скапливается избыточный отрицательный заряд. На противоположной стороне, обращенной к отрицательной палочке, возникает недостаток электронов, что эквивалентно появлению избыточного положительного заряда. Этот процесс разделения зарядов в проводнике под действием внешнего поля называется электростатической индукцией. Важно отметить, что общий заряд сферы остается равным нулю.

Иллюстрация 2: Перераспределение зарядов в сфере.

Положительная палочка (+) [- - - Сфера + + +] Отрицательная палочка (-)

4. Изменение силы. Теперь рассмотрим силы, действующие на одну из палочек, например, на положительную. На нее действуют:

a) Сила притяжения $F_0$ со стороны отрицательной палочки.

b) Силы со стороны индуцированных зарядов на сфере:

- Сила притяжения $F_{прит}$ со стороны близко расположенных отрицательных зарядов на сфере.

- Сила отталкивания $F_{отт}$ со стороны дальше расположенных положительных зарядов на сфере.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами ($F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$). Поскольку отрицательные индуцированные заряды на сфере находятся ближе к положительной палочке, чем положительные, сила притяжения $F_{прит}$ будет по модулю больше, чем сила отталкивания $F_{отт}$.

$|F_{прит}| > |F_{отт}|$

Следовательно, результирующая сила, действующая со стороны поляризованной сферы на положительную палочку, будет силой притяжения, направленной в ту же сторону, что и сила $F_0$.

5. Результирующая сила. По принципу суперпозиции, новая общая сила $F_{общ}$, действующая на положительную палочку, будет равна векторной сумме всех сил:

$F_{общ} = F_0 + F_{прит} - F_{отт}$

Поскольку $(F_{прит} - F_{отт}) > 0$, то $F_{общ} > F_0$.

Аналогичные рассуждения применимы и к отрицательной палочке. На нее также будет действовать дополнительная сила притяжения со стороны сферы, что увеличит общую силу, действующую на нее.

Ответ: Сила, действующая на каждую палочку, увеличится. Это происходит из-за явления электростатической индукции в металлической сфере, помещенной между палочками. Сфера поляризуется, и ее ближайшая к палочке часть приобретает заряд противоположного знака. Так как эта часть находится ближе, сила притяжения к ней оказывается больше силы отталкивания от удаленной части сферы. Возникающая дополнительная сила притяжения со стороны сферы увеличивает общую силу, действующую на каждую палочку.